Водоохлаждаемые графитированные электроды

Графитированные электроды — основной расходный токоподвод в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). В процессе плавки электроды подвергаются интенсивному износу: сублимации на рабочем торце и окислению боковой поверхности при высоких температурах. Стоимость электродов составляет значительную долю эксплуатационных затрат, поэтому снижение их расхода — одна из ключевых задач электросталеплавильного производства. Водоохлаждаемые графитированные электроды и системы охлаждения электродов позволяют существенно сократить удельный расход графита и повысить экономическую эффективность плавки.

Графитированные электроды для электродуговых печей: назначение и свойства

Графитированные электроды представляют собой цилиндрические стержни, состоящие из кристаллического углерода-графита. Содержание углерода в готовом электроде составляет 97–99 %. Основное сырьё — нефтяной или игольчатый кокс с каменноугольным пеком в качестве связующего. Заготовки проходят многоступенчатую термическую обработку, включая графитизацию при температурах выше 2500 °С, в результате чего аморфный углерод преобразуется в кристаллический графит.

Электроды подводят электрический ток к шихте в рабочем пространстве дуговой печи. Между электродами (или электродом и расплавом — в печах постоянного тока) горит электрическая дуга, обеспечивающая плавление металлолома. Стандартные требования к электродам графитовым для дуговых печей: высокая электропроводность, механическая прочность, термостойкость и низкая зольность.

Диаметры серийных графитированных электродов варьируются от 75 до 750 мм. Электроды соединяются между собой ниппелями с конической или цилиндрической резьбой, образуя «свечу» — составной токоподвод необходимой длины. Ниппель вкручивается в гнёзда на торцах электродов; его удельное электрическое сопротивление не должно превышать сопротивление самого электрода.

Проблема расхода графитированных электродов в ДСП

Графитированные электроды — дорогостоящий расходный материал. Затраты на них при работе печей обычной мощности составляют около 8 % себестоимости стали. На сверхмощных дуговых печах эта доля может превышать 15 %, а в отдельных случаях достигать 30 %. Удельный расход электродов при нормальной эксплуатации составляет 4–8 кг/т стали; на современных сверхмощных печах его удалось снизить до 1,2–2 кг/т.

Причины износа графитированных электродов

Потери графитированных электродов при плавке стали подразделяют на три основные группы:

• Эрозия торца электрода — испарение (сублимация) графита в зоне горения дуги и частичное растворение графита в шлаке. Температура рабочего конца электрода достигает примерно 4000 °С — порога сублимации графита.
• Окисление боковой поверхности — взаимодействие углерода электрода с кислородом окружающей атмосферы при температурах свыше 400–600 °С. Это основная статья расхода на печах большинства типов.
• Механические потери — поломки электродов, трещинообразование при перегрузках и неиспользуемые огарки.

При удалении от рабочего торца температура поверхности электрода постепенно снижается. У головки электрододержателя она составляет около 500 °С. В 100-тонной печи участок электрода, подвергающийся окислению, может иметь длину до 6 м. Именно сокращение длины зоны окисления — главный резерв экономии электродов.

Способы снижения расхода графитированных электродов

За десятилетия эксплуатации ДСП разработан ряд технических решений для уменьшения угара электродов. Основные направления:

• нанесение защитных покрытий на боковую поверхность электродов;
• водяное (испарительное, спрейерное) охлаждение боковой поверхности;
• применение комбинированных водоохлаждаемых электродов;
• оптимизация режимов плавки и электрических параметров.

Защитные покрытия графитированных электродов

На боковую поверхность электрода наносят составы на основе алюминия, ферросилиция или силикокальция. Покрытие образует защитную плёнку, которая замедляет окисление графита кислородом воздуха. Применение алюминиевого покрытия позволяет снизить расход электродов на 28–42 %. Покрытие на основе ферросилиция даёт дополнительное снижение расхода ещё на 6 % по сравнению с алюминиевым покрытием.

Испарительное (спрейерное) охлаждение электродов

Спрейерное охлаждение — подача воды на боковую поверхность электрода через распылительное кольцо, установленное на уровне электрододержателя. Вода стекает по поверхности электрода вниз до уровня свода печи и испаряется, отводя тепло. Этот метод не требует изменения конструкции самого электрода.

Исследования (МГТУ им. Г. И. Носова) показали, что испарительное охлаждение снижает температуру боковой поверхности электрода, прежде всего в его верхней части, и позволяет уменьшить расход графита примерно в 1,5 раза. Подача воды наиболее эффективна в течение первых 1–2 минут после включения тока. Метод рекомендован для дуговых печей малой и средней ёмкости как на постоянном, так и на переменном токе.

Комбинированные водоохлаждаемые электроды

Комбинированный водоохлаждаемый электрод состоит из двух частей: нижней — графитированной, непосредственно контактирующей с зоной дуги, и верхней — металлического водоохлаждаемого цилиндра. Длина водоохлаждаемой части составляет от 1/3 до 1/2 общей длины свечи.

Принцип действия прост: металлический цилиндр не окисляется (охлаждается проточной водой), поэтому весь боковой износ приходится только на графитированный участок. Это позволяет снизить расход графитированных электродов на 25–30 % за счёт уменьшения площади, подверженной окислению. При сочетании водоохлаждаемой конструкции с защитным покрытием графитированной части достигается ещё более значительный эффект.

Конструкции комбинированных электродов разрабатывались с 1970-х годов. Промышленное применение на сверхмощных 80-тонных дуговых печах началось с 1980 года и подтвердило эффективность решения. С тех пор различные варианты водоохлаждаемых конструкций используются на предприятиях электросталеплавильного производства.

Распределение температур по длине электрода

Для понимания принципа работы систем охлаждения важно знать температурное поле электрода при нормальной эксплуатации:

Интенсивное окисление графита начинается при температурах выше 400–600 °С. Водяное охлаждение понижает температуру боковой поверхности ниже порога окисления на значительном участке длины электрода, что и обеспечивает экономию.

Основные физико-механические характеристики графитированных электродов

Ключевые параметры, определяющие качество электрода и его поведение в печи:

Чем ниже удельное электрическое сопротивление, тем меньше потери энергии в самом электроде, тем меньше его нагрев. Низкое сопротивление позволяет применять электроды меньшего диаметра при той же токовой нагрузке, что сокращает площадь окисления.

Типы графитированных электродов по назначению

В зависимости от мощности печи и условий эксплуатации применяют электроды различных классов:

Электроды классов HP и UHP изготавливаются преимущественно из игольчатого кокса и проходят дополнительную пропитку пеком, что обеспечивает более низкое сопротивление, повышенную плотность и термостойкость. Именно на сверхмощных печах, потребляющих наиболее дорогие электроды UHP, водоохлаждаемые конструкции дают максимальный экономический эффект.

Формы поставки водоохлаждаемых графитированных электродов

Водоохлаждаемые графитированные электроды и комплектующие к ним поставляются в следующих вариантах:

• графитированные электроды цилиндрические различных диаметров (от 75 до 750 мм) с ниппелями;
• ниппели графитированные (конические, цилиндрические) отдельно;
• комплекты для систем испарительного (спрейерного) охлаждения — распылительные кольца, подводящие трубопроводы;
• водоохлаждаемые металлические цилиндры для комбинированных электродов;
• стопорные пробки для электродов диаметром свыше 300 мм;
• электродные огарки (для вторичного использования).

Подбор диаметра и класса электрода выполняется исходя из ёмкости печи, мощности трансформатора и технологического режима плавки. Неправильный выбор диаметра электрода приводит к ухудшению расходных показателей печи и снижению её производительности. Подробнее о марках графита для электродов — на соответствующей странице каталога.

Хранение и транспортировка графитированных электродов

Графитированные электроды хранят в сухих закрытых складских помещениях. При транспортировке необходимо исключить ударные нагрузки и контакт с влагой — увлажнение графита приводит к росту удельного сопротивления и снижает термостойкость. Ниппели хранятся отдельно и вкручиваются непосредственно перед установкой электрода в электрододержатель. Гарантийный срок хранения электродов и ниппелей — 2 года с момента изготовления.

При погрузочно-разгрузочных работах запрещается сбрасывать электроды, волочить их по грунту и подвергать резким перепадам температур. Резьбовые гнёзда должны быть защищены заглушками во избежание повреждения резьбы.

Преимущества водоохлаждаемых графитированных электродов

Применение систем водяного охлаждения и комбинированных конструкций обеспечивает следующие результаты:

• снижение удельного расхода графитированных электродов на 25–50 % (в зависимости от типа системы охлаждения и конструкции печи);
• уменьшение эксплуатационных затрат на расходные материалы;
• сокращение частоты наращивания электродов и связанных с этим простоев;
• снижение науглероживания расплава за счёт уменьшения бокового окисления электродов;
• возможность интенсификации электрического режима плавки.

Совмещение водяного охлаждения с защитными покрытиями и оптимизацией режимов плавки позволяет минимизировать расход электродов до технически обоснованного минимума. Для предприятий, эксплуатирующих дуговые печи различной ёмкости, рациональное использование систем охлаждения — один из наиболее доступных и быстроокупаемых способов снижения себестоимости электростали.